Surface Photovoltage

Einleitung

Zur Qualitätsüberwachung von Silizium-Wafern und zur Charakterisierung der Ausgangsmaterialien von Solarzellen eignet sich in vielen Fällen sehr gut die SPV (Surface PhotoVoltage)-Methode. Mit dieser lässt sich die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger und somit die elektrische Aktivität im Volumen bestimmen. Die gemessenen Diffusionslängen werden im Gegensatz zu anderen Methoden, die die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger messen, nicht durch die Oberflächeneigenschaften beeinflusst.

Die Anregung erfolgt optisch, indem monochromatisches Licht in die Probe eingestrahlt wird und Elektronen-Loch-Paare erzeugt werden. Je größer die Eindringtiefe des Lichtes ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass die erzeugten Ladungsträger bis zur Raumladungsschicht an der Oberfläche des Wafers gelangen. Ähnlich wie bei einer Solarzelle werden hier die Ladungsträger voneinander getrennt und es entsteht eine Spannung, die kapazitiv gemessen wird (sog. Oberflächenspannung, engl. surface photovoltage). Diese Spannung ist monoton abhängig von der Anzahl der erzeugen Ladungsträger, die die Raumladungsschicht erreichen. Aus der Abhängigkeit der gemessenen Spannung von der Eindringtiefe des Lichtes, die über die Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes eingestellt wird, wird die Diffusionslänge ermittelt. Durch eine Fokussierung des anregenden Lichtes und Rasterung der Probe können Diffusionslängentopogramme erfolgen.

 

Aufbau der Anlage

Um auch bei Materialien, die geringe Diffusionslängen und eine hohe Oberflächenrekombination aufweisen, noch Oberflächenspannungen zu messen, muss eine starke Lichtquelle möglichst viele Elektronen-Loch-Paare erzeugen. Zu diesem Zweck wurde eine Xenon-Lampe (450 W Leistung) gewählt. Da die gemessenen Spannungen typischerweise unter 10 µV liegen, muss das Signal mit Lock-In-Technik gemessen werden. Die Wellenlängen des Lichtes werden mit einem Gittermonochromator eingestellt, dessen Ausgangsspalt durch eine austauschbare Lochblende ersetzt ist. Dessen Bild wird auf die Probe fokussiert. Als Kapazität zur berührungslosen Messung dient eine auf Glas aufgebrachte transparente leitfähige Schicht, die von der Probe durch ein Dielektrikum getrennt ist. Um den störenden Einfluss von Vielfachreflexionen zwischen Probe und Glas sowie innerhalb des Glases zu vermeiden, wird der Messstrahl durch eine metallisierte Blende, die auf die transparente leitfähige Schicht aufgedampft ist, fokussiert. Die Spannung wird zwischen der leitfähigen transparenten Elektrode und der Probenrückseite gemessen. Um diese nicht mit Metall in Verbindung zu bringen, ist die rückseitige Elektrode von der Probe durch eine Folie getrennt. Zur Berechnung der Diffusionslänge ist es erforderlich, die eingestrahlte Photonenanzahl zu bestimmen. Dazu wird über einen Strahlteiler ein Teil des Lichtes ausgekoppelt und mit einer kalibrierten Solarzelle gemessen.

 

Materialien, die gemessen werden können, und Probenpräparation

Die SPV-Methode setzt voraus, dass die Eindringtiefe des Lichtes wesentlich größer ist als die Raumladungsschicht, deren genaue Breite i. a. nicht bekannt ist. Daher eignet sich die SPV-Apparatur zur Messung indirekter Halbleiter, wie Silicium oder Germanium und deren Verbindungen. Bei bekannter Tiefe der Raumladungsschicht ließen sich allerdings auch direkte Halbleiter messen. Einschränkend setzt die SPV-Methode voraus, dass die Rückseite des Wafers ohne Einfluss auf des gemessene Signal ist, woraus folgt, dass die zu messenden Proben so dick sind, dass weder das anregende Licht noch die diffundierenden Elektronen oder Löcher die Rückseite erreichen können. Silicium-Proben zum Beispiel sollten daher dicker als ca 1mm sein.

Da die Probenoberfläche keinen Einfluss auf die Bestimmung des Diffusionslängenwertes hat, bedürfen die Proben keiner expliziten Präparation (außer einem HF-Dip (für n- und p-leitende Proben) und einem Kochbad in H2O2 (für n-leitende Proben)).

 

Abb.: Prinzipskizze

Abb.: Prinzipskizze

 

Spezifikationen

Verwendete Wellenlängen:zwischen 790 und 1000 nm
Erreichbare Ortsauflösung:< 200 µm
maximale Probengröße:100 x 100 mm2
maximale Untersuchungsgröße eines Topogrammes:40 x 100 mm2